ON ETUDIE LA PULVERISATION NUMERIQUE DE JETS ET DE NAPPES LIQUIDES. DANS LA PREMIERE PARTIE ON PRESENTE UNE REVUE BIBLIOGRAPHIQUE DU PROBLEME OU SONT PRESENTES, LA THEORIE DES INSTABILITES DE KELVIN-HELMHOLTZ ET DIFFERENTS RESULTATS EXPERIMENTAUX ANTERIEURS. DANS LA SECONDE PARTIE ON PRESENTE DIFFERENTES METHODES NUMERIQUES : TECHNIQUE DE SUIVI D'INTERFACE (VOLUME OF FLUID), DE CALCUL DES EFFORTS DE TENSION DE SURFACE (CSF) ET DE RESOLUTION DES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES (MAC CORMACK). LA DERNIERE PARTIE PRESENTE UNE METHODE PARTICULAIRE (SPH) PERMETTANT DE TRAITER DES INTERACTIONS D'ECOULEMENTS LIQUIDES ET GAZEUX. LES PRINCIPAUX PHENOMENES INTERFACIAUX, TELS QUE LA TENSION DE SURFACE ET LA VAPORISATION SONT PRIS EN COMPTE. DES CALCULS 2D ET 3D DE DEFORMATION DE JETS LIQUIDES DANS DES ECOULEMENTS GAZEUX SUPERSONIQUES SONT ANALYSES ET COMPARES AVEC DES RESULTATS EXPERIMENTAUX.

UN JET DE FLUIDE SOUMIS A UN ECOULEMENT TRANSVERSAL GENERE UNE DYNAMIQUE TRES COMPLEXE, DONT LA DESCRIPTION ET LA PREDICTION CONSTITUENT UN ENJEU TANT FONDAMENTAL QU'INDUSTRIEL. L'ETUDE S'APPUIE SUR UNE CORRELATION ETROITE ENTRE L'APPROCHE EXPERIMENTALE ET LA SIMULATION NUMERIQUE DE L'ECOULEMENT. LA CONFIGURATION ETUDIEE CONCERNE UNE BUSE DE SECTION RECTANGULAIRE AYANT UN RAPPORT D'ASPECT DE 2. L'ECOULEMENT TRANSVERSE ET CELUI DU JET SONT TURBULENTS. LES RAPPORTS DE VITESSES U#J/U#T SONT COMPRIS ENTRE 3 ET 6. L'EXPERIMENTATION EST SUCCESSIVEMENT CONDUITE EN CANAL A EAU ET EN SOUFFLERIES. LES RESULTATS PROVIENNENT DE L'ANALYSE DES VISUALISATIONS AINSI QUE DE L'EXPLOITATION DES MESURES DU CHAMP INSTANTANE DE VITESSE ET DE TEMPERATURE PAR VELOCIMETRIE A 2 FILS CHAUDS CROISES ET FIL FROID ET PAR VELOCIMETRIE LASER A EFFET DOPPLER. LES MESURES SONT POUR L'ESSENTIEL REALISEES DANS LE PLAN MEDIAN DU JET. LA NOTION DE LIGNE CENTRALE DU JET EST D'ABORD DEFINIE ET QUANTIFIEE. ENSUITE UNE APPROCHE METROLOGIQUE ORIGINALE PERMET DE MESURER LES GRANDEURS MOYENNES ET LEURS FLUCTUATIONS DANS UN REPERE DE FRENET PORTE PAR LES LIGNES DE COURANT. L'ANALYSE STATISTIQUE DES FLUCTUATIONS PERMET LA DETERMINATION DES ECHELLES DE TURBULENCE, DES FLUX TURBULENTS ET DU NOMBRE DE PRANDTL ASSOCIE. L'ANALYSE FREQUENTIELLE DES DONNEES MONTRE LE CARACTERE FORTEMENT INSTATIONNAIRE DE L'ECOULEMENT. UNE FREQUENCE CARACTERISTIQUE EMERGE NETTEMENT DES QUE LA VITESSE DU JET EST SUFFISANTE. ELLE CORRESPOND A UN NOMBRE DE STROUHAL DE 0.1. LA SIMULATION NUMERIQUE EN VOLUMES FINIS EST MENEE SELON UNE APPROCHE STATIONNAIRE PUIS INSTATIONNAIRE. LA SOLUTION STATIONNAIRE NE CONVERGE PAS VERS LA MOYENNE DES SOLUTIONS INSTATIONNAIRES QUI SE REVELE SEULE EN TRES BONNE CONCORDANCE AVEC L'EXPERIENCE, TANT SUR LES VALEURS MOYENNES QUE SUR LA PREDICTION DES STRUCTURES SPATIO-TEMPORELLES. L'EMISSION PAR UNE BUSE RECTANGULAIRE NE MODIFIE PAS QUALITATIVEMENT L'ORGANISATION SPATIALE ET TEMPORELLE DE L'ECOULEMENT OBSERVE EN BUSE CIRCULAIRE. EN REVANCHE, LA SYNTHESE DE NOS RESULTATS PERMET D'UNE PART DE PRECISER QUANTITATIVEMENT LES CHAMPS DE VITESSE ET DE TEMPERATURE DANS LA CONFIGURATION ETUDIEE ET D'AUTRE PART, DE COMPLETER LA DESCRIPTION HABITUELLEMENT ADMISE DE L'EVOLUTION TEMPORELLE DES DEUX VORTEX CONTRAROTATIFS MARQUANT LE DEVELOPPEMENT DU JET.

Dans cette thèse on s'intéresse aux jets en écoulement transverse dans une configuration générique de celle du refroidissement par effusion de chambres de combustion aéronautiques. L'amélioration des modèles de paroi avec transfert de masse passe par une meilleure connaissance de l'interaction entre les jets et l'écoulement principal. Nous avons donc réalisé la simulation numérique directe d'un jet issu d'un perçage incliné avec ou sans giration, pour des écoulements isothermes, turbulents et à bas nombre de Mach, dans un contexte compressible. Pour cela nous avons travaillé avec la bibliothèque AeroSol d'éléments finis continus et discontinus sur maillage hybride. En particulier nous nous sommes intéressés à la stabilité des flux numériques pour le compressible instationnaire associés à la méthode de Galerkin discontinue lorsque le nombre de Mach tend vers zéro. Nous avons pu mettre en évidence des comportements instables lors de l'utilisation de discrétisation temporelle explicite que nous avons corrigés en proposant un nouveau flux. Dans un deuxième temps, nous avons effectué les développements nécessaires à la réalisation des calculs. Nous nous sommes en particulier intéressés à la génération d'un champ de vitesse turbulent synthétique par la méthode SEM (Synthetic Eddy Method) que nous avons implantée dans AeroSol et validée. Grâce aux outils de post-traitement développés, nous avons conduit l'analyse de nos résultats. Dans le cas sans giration, les comparaisons avec les résultats expérimentaux et les résultats de simulations RANS que nous avons obtenus en parallèle sur la configuration du banc d'essai MAVERIC sont encourageants. La structure moyenne d'ensemble du jet est notamment correctement reproduite. En ce qui concerne la cas avec giration, le comportement attendu de déflexion successive du jet dans les deux plans caractéristiques (plan d'injection et plan de l'écoulement transverse) est bien reproduit et illustre tout le potentiel prévisionnel de la librairie de calcul que nous avons contribué à développer.

Cette étude a pour but de prédire les trajectoire de jets issus des inverseurs de poussée. Ces dispositifs équipent les avions et génèrent une contre-poussée qui permet de freiner l'appareil lorsque celui-ci est au sol en phase d'atterrissage. L'écoulement sort des inverseurs de poussée sous forme de jet. Un tel écoulement est complexe et s'étend sur une grande distance. Nous avons alors opté pour la méthode particulaire de type « Vortex Blob ». Le domaine d'étude est infini, la résolution est instationnaire et la discrétisation limitée aux zones rotationnelles. Celles-ci se retrouvent sous forme de particules porteuses d'une information tourbillonnaire que l'on suit dans leur mouvement de manière lagrangienne. Dans un premier temps, nous passons en revue tous les types d'écoulement de jet et nous ressortons les principales caractéristiques, notamment pour l'écoulement de jet à buse débouchant dans un écoulement transverse où une paire de tourbillons contra-rotatifs apparaît et persiste loin en aval. L'activité tourbillonnaire est intense et l'évolution du jet varie selon le rapport d'injection du jet (vitesse du jet rapporté à la vitesse de l'écoulement transverse). Nous abordons ensuite l'aspect numérique de l'étude présentant la méthode particulaire. Nous utilisons une méthode particulaire tridimensionnelle à laquelle nous avons adapté un algorithme rapide de type « Tree code », un remmaillage global de l'écoulement ainsi qu'un schéma de diffusion de type « Particle Strenght Exchange » qui peut prendre en compte un modèle de Simulation des Grandes Échelles (SGE). Le code est de plus entièrement parallélisé grâce aux librairies MPI. Puis, nous traitons de manière académique les simulations de jets transverses. Nous observons et étudions l'évolution des structures tourbillonnaires existantes dans de tels écoulements en fonction du rapport d'injection du jet, d'une variation temporelle de la vitesse initiale du jet, etc... Dans un dernier temps, nous présentons une méthode hybride de couplage entre des simulations eulériennes et nos simulation lagrangiennes pour traiter des cas industriels. Après une validation de ce méthode de couplage avec décomposition de domaine, nous présentons des simulation complètes d'un avion en phase d'atterrissage. Enfin, nous mettons en évidence un cas de ré ingestion déjà observé expérimentalement en soufflerie.

Cette thèse est consacrée à l’étude expérimentale d’un jet en interaction avec un écoulement transverse de paroi (Jet In Cross-Flow, JICF). L’écoulement est monophasique et isotherme. Le ratio des vitesses (VR) de jet et d’écoulement est bas, et le jet est affleurant à la paroi, avec des géométries d’injection diverses : circulaires, elliptiques, rectangulaires, et chevrons. Cette étude a été réalisée en canal hydraulique à l’aide d’une méthode de vélocimétrie volumique optique (V3V) qui permet la mesure instantanée des 3 composantes du champ de vitesses, et l’ensemble du processus expérimental a été optimisé. La physique du JICF est analysée à l’aide des champs moyen et instantané, de statistiques et du suivi spatial de structure tourbillonnaire cohérentes. L’influence du VR sur la topologie d’écoulement est étudiée, et met en évidence l’existence d’une transition de soufflage à très bas ratios de vitesse. Nous étudions en détail les trajectoires et l’évolution des intensités tourbillonnaires des vortex composant le JICF, et un nouveau scaling de trajectoire est proposé. Les outils développés pour l’analyse du JICF rond ont été appliqués aux JICF non circulaires. La géométrie d’injection chevron conserve à la fois une intensité tourbillonnaire élevée et une trajectoire basse de jet, maximisant ainsi l’effet sur la couche limite. L’ensemble de ces résultats permettent une meilleure connaissance des jets transverses à bas VR, et seront très utiles pour la conception d’expériences de contrôle d’écoulement, en apportant des critères quantitatifs pour choisir les bons paramètres physiques et géométriques définissant les générateurs de vortex fluidiques

CE MEMOIRE PRESENTE UNE ETUDE EXPERIMENTALE PARAMETRIQUE DES MECANISMES DE RUPTURE DE JETS DANS UN ECOULEMENT GAZEUX TRANSVERSE, A PRESSION ATMOSPHERIQUE ET A PRESSION AMBIANTE ELEVEE. AFIN DE CARACTERISER LES PROCESSUS DE RUPTURE, DIFFERENTES TECHNIQUES D'IMAGERIE, TELLES QUE L'OMBROSCOPIE OU LA TOMOGRAPHIE SOUS DIFFERENTS ANGLES DE VUE, ONT ETE UTILISEES. LES RESULTATS AINSI OBTENUS ONT PERMIS DE CORRELER LES CONDITIONS D'INJECTION AUX MODES DE FRAGMENTATION ET DE DECRIRE LES MECANISMES PHYSIQUES D'ATOMISATION MIS EN JEU, PUIS DE CLASSIFIER LES TYPES DE RUPTURE PAR LEUR MORPHOLOGIE EN FONCTION DE NOMBRES DE WEBER BASES SUR LA VITESSE DU JET ET DU GAZ. UNE EXPRESSION ANALYTIQUE DE LA TRAJECTOIRE DU JET, DEPENDANT DE SON COEFFICIENT DE TRAINEE, A ETE ETABLIE. ELLE PERMET D'ESTIMER CERTAINES CARACTERISTIQUES DU JET (RAYON DE COURBURE, ACCELERATION CENTRIPETE) ET DU GAZ (VITESSE RELATIVE PAR RAPPORT AU JET). EN ASSOCIATION AVEC UNE CARTOGRAPHIE DES COEFFICIENTS DE TRAINEE DU JET EN FONCTION DES CONDITIONS D'INJECTION, ON PEUT AINSI PREDIRE LA TRAJECTOIRE DU JET. UN TRAITEMENT DES IMAGES, BASE SUR L'EXTRACTION DU CONTOUR DU JET, REND COMPTE DES ECHELLES DE PENETRATION DU JET DANS LE FLUX GAZEUX TRANSVERSAL ET DE LONGUEUR D'ONDE DES INSTABILITES. LES LONGUEURS D'ONDE EXPERIMENTALES ONT ENSUITE ETE CONFRONTEES AUX RESULTATS OBTENUS A L'AIDE DE THEORIES LINEAIRES AFIN D'ETABLIR LE TYPE D'INSTABILITE (RAYLEIGH-TAYLOR OU KELVIN-HELMOLTZ) INTERVENANT DANS UN TYPE DE RUPTURE DIT EN SAC.

La réduction des émissions polluantes est actuellement un enjeu majeur au sein du secteur aéronautique. Parmi les solutions développées par les motoristes, la combustion en régime pauvre apparaît comme une technologie efficace pour réduire l'impact de la combustion sur l'environnement.Or, ce type de technologie favorise l'apparition d'instabilités de combustion issues d'un couplage thermo-acoustique. Des études expérimentales précédemment menées à l'ONERA ont mis en évidence l'importance de l'atomisation au sein d'un injecteur multipoint sur le phénomène d'instabilités de combustion. L'objectif de cette thèse est de mettre en place la méthodologie multi-échelle pour reproduire les phénomènes de couplage entre l'atomisation du jet liquide en présence d'un écoulement gazeux transverse (configuration simplifiée d'un point d'injection d'un injecteur multipoint) et d'une perturbation acoustique imposée, représentative de l'effet d'une instabilité de combustion. Ce type d'approche pourra, à terme, être utilisé pour la simulation instationnaire LES d'un système de combustion, et permettra de déterminer les temps caractéristiques de convection du carburant liquide pouvant affecter les phénomènes d'évaporation et de combustion, et donc l'apparition des instabilités de combustions. Afin de valider cette approche,les résultats issus des simulations sont systématiquement comparés aux observations expérimentales obtenues dans le cadre du projet SIGMA. Dans un premier temps, une simulation du jet liquide en présence d'un écoulement gazeux transverse est réalisée. Cette simulation a permis de valider l'approche multi-échelle : pour cela, les grandes échelles du jet, ainsi que les mécanismes d'atomisation reproduits par les simulations, sont analysés. Ensuite, l'influence d'une perturbation acoustique sur l'atomisation du jet liquide est étudiée. Les comportements instationnaires du jet et du spray issu de l'atomisation sont comparés aux résultats expérimentaux à l'aide des moyennes temporelles et des moyennes de phase.